ITER 핵융합로 시험대 세계 기록
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-05-08 08:40:00
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- 핵융합 플라즈마의 온도를 섭씨 1억 5천만 도까지 올리는 것이 목표
- 2024년 3월 28일 ELISE는 10분 동안 평방미터당 거의 300암페어에 달하는 음이온 수소 이온 전류 밀도를 추출하는 데 성공
- 10초 동안 지속되는 더 짧은 펄스의 경우 테스트에서 평방 미터당 330암페어가 생성
핵융합은 미래의 에너지원이 될 수 있다. 핵융합로의 수소 플라즈마를 충분히 강하게 가열하고 압축할 수 있다면 말이죠. 레이저 융합 및 기타 실험적 접근 방식 외에도 국제 대규모 원자로 ITER는 최초로 더 큰 규모로 이를 가능하게 할 것이다. 현재 프랑스 남부에 건설되고 있는 핵융합 발전소는 핵융합 플라즈마 가열에 투자해야 하는 양의 10배인 500MW(메가와트)의 핵융합 출력을 달성할 것으로 예상된다.
가열로서의 입자빔
ITER가 이를 달성하려면 핵융합 플라즈마의 온도를 섭씨 1억 5천만 도까지 올려야 한다. 소위 중성 입자 주입(NBI)은 필요한 가열 출력의 약 절반을 제공해야 한다. 빠른 수소 또는 중수소 원자가 플라즈마 속으로 발사된 후 충돌을 통해 플라즈마 입자에 에너지가 전달된다. 그러나 가열 입자 흐름을 생성하는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.
이유는 입자 빔의 수소 원자를 충분히 높은 에너지로 만들기 위해서는 먼저 이온화되어야 하기 때문이다. 전자기장에서 가속을 가능하게 하는 것은 전하다. 이 입자 빔이 융합 플라즈마를 포함하는 자기 케이지를 관통하려면 수소가 다시 중화되어야 한다. 이를 위해 이온빔은 세슘으로 코팅된 여러 개의 그리드를 통과하여 이를 중성화하는 동시에 가능한 가장 넓지만 가장 균질한 빔으로 형성된다.
ITER 핵융합로에서는 중성 입자 주입을 위해 단면적이 1x2m인 이온빔이 필요하다. 이는 또한 수백 초 동안 지속되는 펄스 동안 안정적으로 유지되어야 한다.
입자빔에 대한 새로운 세계 기록
이 복잡한 가열 시스템에 필요한 기술을 테스트하고 최적화하기 위해 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소의 연구원들은 시험대를 구축했다. ELISE(대형 이온 소스 실험에서 추출)라고 불리는 시스템의 이온 소스는 계획된 ITER 히터 크기의 절반이다. 이는 1m x 1m 크기의 입자 빔을 생성한다. 물리학자들은 이를 사용하여 플라즈마 가열의 다양한 미묘함을 테스트할 수 있다.
이제 중요한 돌파구가 달성되었다. 처음으로 물리학자들은 ELISE를 사용하여 나중에 ITER에 필요할 이온 전류 밀도를 생성할 수 있었다. 2024년 3월 28일 ELISE는 10분 동안 평방미터당 거의 300암페어에 달하는 음이온 수소 이온 전류 밀도를 추출하는 데 성공했다고 팀은 보고했다. 이는 이러한 전류 밀도에 대해 이전에 가능했던 펄스 길이가 10배 이상 증가했음을 의미하며, 이는 팀이 보고한 세계 기록이다. 10초 동안 지속되는 더 짧은 펄스의 경우 테스트에서 평방 미터당 330암페어가 생성되었다. 이는 또한 새로운 세계 기록이다.
ITER의 획기적인 발전
플라즈마 물리학 MPI의 Dirk Wünderlich는 "두 값 모두 ITER-NBI 시스템 개발의 진정한 돌파구를 나타낸다"고 말했다. ELISE 테스트 스탠드는 이미 ITER의 목표를 달성했지만 이온 소스는 ITER에서 사용할 수 있는 고주파 전력의 최대 75%에 불과하다. "다음 단계는 ITER 값을 빠르고 안정적으로 달성할 수 있는 운영 시나리오를 개발하는 것이다"고 사업부 관리자인 Ursel Fantz는 설명했다.
물리학자들은 수소에 대한 성공 이후 또다른 목표로 ITER의 이후 운영 단계에 대한 요구 사항인 중수소 이온에서도 해당 값을 달성하기를 바라고 있다. 중수소에 필요한 전류 밀도는 최대 60분 동안 유지되어야 한다. “ELISE는 이러한 목표를 달성하도록 기술적으로 설계됐다”고 Fantz는 말했다. 앞으로 더 많은 세계 기록이 예상된다.
출처: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
- 핵융합 플라즈마의 온도를 섭씨 1억 5천만 도까지 올리는 것이 목표
- 2024년 3월 28일 ELISE는 10분 동안 평방미터당 거의 300암페어에 달하는 음이온 수소 이온 전류 밀도를 추출하는 데 성공
- 10초 동안 지속되는 더 짧은 펄스의 경우 테스트에서 평방 미터당 330암페어가 생성
ITER 핵융합로 시험대 세계 기록
핵융합 시스템의 중성 입자 가열을 위한 이온 소스가 목표 값에 도달했다.
중요한 돌파구:
현재 건설 중인 ITER 핵융합로의 중앙 가열 시스템이 중대한 장애를 극복하고 세계 기록을 세웠다. 처음으로 핵융합로의 중성 입자 가열을 위한 시험대는 지속 시간과 이온 전류 밀도 측면에서 필요한 목표치에 도달한 수소 이온 빔을 생성했다. 테스트 스탠드는 더 작은 모델이지만 필요한 가열 출력을 제공했다. 나중에 핵융합 플라즈마를 1억 5천만 도까지 가열하는 데 도움이 될 것이다.
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| ▲ 이러한 열량계 데이터의 색상은 ELISE 테스트 스탠드에서 생성된 입자 빔의 에너지 함량을 보여준다. 밝은 색상과 거의 균일한 분포는 이 빔이 ITER 가열 요구 사항을 충족한다는 것을 나타낸다. © MPI für Plasmaphysik |
핵융합은 미래의 에너지원이 될 수 있다. 핵융합로의 수소 플라즈마를 충분히 강하게 가열하고 압축할 수 있다면 말이죠. 레이저 융합 및 기타 실험적 접근 방식 외에도 국제 대규모 원자로 ITER는 최초로 더 큰 규모로 이를 가능하게 할 것이다. 현재 프랑스 남부에 건설되고 있는 핵융합 발전소는 핵융합 플라즈마 가열에 투자해야 하는 양의 10배인 500MW(메가와트)의 핵융합 출력을 달성할 것으로 예상된다.
가열로서의 입자빔
ITER가 이를 달성하려면 핵융합 플라즈마의 온도를 섭씨 1억 5천만 도까지 올려야 한다. 소위 중성 입자 주입(NBI)은 필요한 가열 출력의 약 절반을 제공해야 한다. 빠른 수소 또는 중수소 원자가 플라즈마 속으로 발사된 후 충돌을 통해 플라즈마 입자에 에너지가 전달된다. 그러나 가열 입자 흐름을 생성하는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.
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| ▲ 이렇게 얽힌 케이블과 금속 부품 뒤에는 ITER의 중성 입자 가열 시스템을 위한 ELISE 테스트 스탠드가 있다. © MPI für Plasmaphysik |
이유는 입자 빔의 수소 원자를 충분히 높은 에너지로 만들기 위해서는 먼저 이온화되어야 하기 때문이다. 전자기장에서 가속을 가능하게 하는 것은 전하다. 이 입자 빔이 융합 플라즈마를 포함하는 자기 케이지를 관통하려면 수소가 다시 중화되어야 한다. 이를 위해 이온빔은 세슘으로 코팅된 여러 개의 그리드를 통과하여 이를 중성화하는 동시에 가능한 가장 넓지만 가장 균질한 빔으로 형성된다.
ITER 핵융합로에서는 중성 입자 주입을 위해 단면적이 1x2m인 이온빔이 필요하다. 이는 또한 수백 초 동안 지속되는 펄스 동안 안정적으로 유지되어야 한다.
입자빔에 대한 새로운 세계 기록
이 복잡한 가열 시스템에 필요한 기술을 테스트하고 최적화하기 위해 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소의 연구원들은 시험대를 구축했다. ELISE(대형 이온 소스 실험에서 추출)라고 불리는 시스템의 이온 소스는 계획된 ITER 히터 크기의 절반이다. 이는 1m x 1m 크기의 입자 빔을 생성한다. 물리학자들은 이를 사용하여 플라즈마 가열의 다양한 미묘함을 테스트할 수 있다.
이제 중요한 돌파구가 달성되었다. 처음으로 물리학자들은 ELISE를 사용하여 나중에 ITER에 필요할 이온 전류 밀도를 생성할 수 있었다. 2024년 3월 28일 ELISE는 10분 동안 평방미터당 거의 300암페어에 달하는 음이온 수소 이온 전류 밀도를 추출하는 데 성공했다고 팀은 보고했다. 이는 이러한 전류 밀도에 대해 이전에 가능했던 펄스 길이가 10배 이상 증가했음을 의미하며, 이는 팀이 보고한 세계 기록이다. 10초 동안 지속되는 더 짧은 펄스의 경우 테스트에서 평방 미터당 330암페어가 생성되었다. 이는 또한 새로운 세계 기록이다.
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| ▲ 정규화된 무선 주파수(RF) 전력의 함수로서 고정(녹색) 및 단거리(청색) 빔 펄스에 대한 ELISE의 이온 전류 밀도. 새로운 세계 기록 결과는 큰 별표로 표시된다. © MPI für Plasmaphysik |
ITER의 획기적인 발전
플라즈마 물리학 MPI의 Dirk Wünderlich는 "두 값 모두 ITER-NBI 시스템 개발의 진정한 돌파구를 나타낸다"고 말했다. ELISE 테스트 스탠드는 이미 ITER의 목표를 달성했지만 이온 소스는 ITER에서 사용할 수 있는 고주파 전력의 최대 75%에 불과하다. "다음 단계는 ITER 값을 빠르고 안정적으로 달성할 수 있는 운영 시나리오를 개발하는 것이다"고 사업부 관리자인 Ursel Fantz는 설명했다.
물리학자들은 수소에 대한 성공 이후 또다른 목표로 ITER의 이후 운영 단계에 대한 요구 사항인 중수소 이온에서도 해당 값을 달성하기를 바라고 있다. 중수소에 필요한 전류 밀도는 최대 60분 동안 유지되어야 한다. “ELISE는 이러한 목표를 달성하도록 기술적으로 설계됐다”고 Fantz는 말했다. 앞으로 더 많은 세계 기록이 예상된다.
출처: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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